1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

LÊ ĐỨC TÌNH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
CÔNG TÁC QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
Ở VIỆT NAM
Chuyên ngành : Trắc địa ứng dụng
Mã số : 62.52.85.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường,
họp tại: Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hội …. giờ … ngày … tháng
… năm 2012
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia, Hà Nội,
- Thư viện trường Địa học Mỏ - Địa chất 3
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
1 - Trần Khánh, Lê Đức Tình (4/2007), “Tính toán các tham số lún công trình
theo phương pháp mặt phẳng tổng quát”, Tạp chí
Khoa học kỹ thuật Mỏ -
Địa chất, (18), tr. 77 - 80.
2 - Lê Đức Tình (2009), Nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế của các thiết
bị đo đạc hiện đại trong quan trắc chuyển dịch ngang các công trình kỹ

công trình chưa được quan tâm đúng mức.
Việc nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả quan trắc chuyển dịch biến
dạng công trình là một vấn đề có ý nghĩa trong giai đoạn hiện nay, nhất là khi
các công trình kỹ thuật lớn của nước ta bước vào giai đoạn nghiệm thu tổng
thể và vận hành công trình.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu của luận án là xác lập một số giải pháp để nâng cao
hiệu quả công tác quan trắc biến dạng công trình.
- Đối tượng nghiên cứu chính là các công trình kỹ thuật ở Việt Nam.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: công tác thiết kế, xử lý, phân
tích, đánh giá và dự báo chuyển dịch biến dạng của các công trình kỹ thuật.
3. Nội dung nghiên cứu
1- Nghiên cứu ứng dụng thuật toán truy hồi để tính toán tối ưu hóa thiết kế
lưới quan trắc biến dạng công trình. Ứng dụng phương pháp bình sai hiệu trị
đo trong xử lý số liệu quan trắc.
2- Xây dựng mô hình chuyển dịch công trình theo các yếu tố khác nhau để
phân tích, đánh giá, dự báo mức độ chuyển dịch biến dạng công trình.
3- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thống kê trong phân tích biến dạng
công trình theo các tác nhân gây ra chuyển dịch biến dạng.

2
4- Lập phần mềm xử lý số liệu và phân tích chuyển dịch biến dạng công
trình.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển và hoàn thiện lý thuyết xử lý số liệu
quan trắc chuyển dịch ngang công trình, phân tích, đánh giá và mô hình hóa
quá trình chuyển dịch của công trình.

trị đo.
3- Xác định thời gian trễ của chuyển dịch và đánh giá chuyển dịch công
trình theo phương pháp phân tích tương quan.
4- Thành lập phần mềm xử lý số liệu quan trắc và phân tích, đánh giá biến
dạng các công trình kỹ thuật.
7. Cấu trúc và nội dung luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận án được trình bày trong 4 chương với
hơn 120 trang thuyết minh, hình vẽ, bảng biểu.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
1.1. Tổng quan về tình hình quan trắc biến dạng công trình
1.1.1. Tình hình nghiên cứu lý thuyết
1.1.1.1. Trên thế giới
Các hướng nghiên cứu để đảm bảo hiệu quả của công tác quan trắc biến
dạng công trình bao gồm:
1- Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị hiện đại trong quan trắc biến dạng
công trình.
2- Nghiên cứu phương pháp và quy trình quan trắc
3- Phân tích, đánh giá kết quả quan trắc biến dạng công trình
1.1.1.2. Ở Việt Nam
Ở nước ta cuối những năm 1980 việc quan trắc biến dạng được quan tâm
và triển khai rộng rãi tại các công trình trong cả nước. Đã có nhiều công trình
nghiên cứu khoa học các cấp, một số luận án, luận văn đề cập đến vấn đề
này:
1- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ quan trắc chuyển dịch công trình.
2- Nghiên cứu về phương pháp thiết kế và xử lý số liệu quan trắc.
1.1.2. Tình hình thực hiện quan trắc một số công trình điển hình
1.1.2.1. Trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới hầu hết các công trình kỹ thuật của mỗi quốc gia
đều đã được quan trắc biến dạng với các thiết bị đo đạc hiện đại nhất.


1.2.2. Giới hạn nghiên cứu của luận án
Trong luận án đã đặt ra và nghiên cứu các nội dung sau:
- Ứng dụng thuật toán bình sai truy hồi và hiệu trị đo để tính toán thiết kế
tối ưu hệ thống lưới quan trắc biến dạng công trình.

5
- Xây dựng thuật toán và quy trình xử lý mạng lưới quan trắc biến dạng
công trình theo phương pháp hiệu trị đo.
- Lập mô hình chuyển dịch công trình để trợ giúp cho quá trình phân tích
biến dạng công trình.
- Xây dựng bộ phần mềm tính toán chuyên dùng cho mục đích thiết kế, xử
lý số liệu mạng lưới quan trắc biến dạng, biểu diễn đồ họa quá trình chuyển
dịch và phân tích đánh giá kết quả quan trắc biến dạng công trình.

Chương 2. THIẾT KẾ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI QUAN TRẮC
BIẾN DẠNG CÔNG TRÌNH
2.1. Quy trình thành lập lưới quan trắc biến dạng công trình
2.1.1. Nguyên tắc xây dựng lưới quan trắc biến dạng công trình
Hệ thống lưới quan trắc biến dạng công trình bao gồm 2 bậc lưới, bậc một
là lưới cơ sở và bậc hai là lưới quan trắc. Yêu cầu độ chính xác chuyển dịch
đối với các cấp lưới trong quan trắc biến dạng được xác định theo các công
thức:
- Đối với lưới cơ sở:
2
1 k
m
m

6
2- Các phương án thiết kế tối ưu: tối ưu độ chính xác vị trí các điểm quan
trắc hoặc là tối ưu chi phí thi công lưới.
Dạng tổng quát của bài toán tối ưu được đặt ra như sau: Tìm các số x
1
, x
2
,
…, x
n
sao cho hàm mục tiêu:
) ,,,(
21 n
xxxfZ =
(2.3)
đạt cực đại (hoặc cực tiểu), đồng thời thoả mãn các điều kiện (hệ ràng buộc):
ljxh
mixg
j
i
, ,2,1,0)(
, ,2,1,0)(
==
=≥
(2.4)
2.1.3. Ước tính độ chính xác lưới
Ước tính độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình được thực hiện

tính toán đáng kể nhất. Để giải quyết vấn đề này, trong luận án đã khảo sát
ứng dụng thuật toán bình sai truy hồi để tính toán thiết kế lưới theo hiệu trị
đo giữa 2 chu kỳ quan trắc.
2.2. Ước tính độ chính xác lưới quan trắc biến dạng công trình theo hiệu
trị đo giữa 2 chu kỳ quan trắc
2.2.1. Cơ sở thuật toán
Lưới quan trắc biến dạng công trình thuộc dạng lưới đo lặp, sơ đồ mạng
lưới được thiết kế giống nhau trong các chu kỳ quan trắc. Khi đó, nếu ký hiệu
ΔT là vector hiệu trị đo thì vector chuyển dịch q được xác định từ hệ phương
trình chuẩn:
0. =Δ+ TPAqPAA
TT
(2.7)

7
Ma trận hệ số của hệ phương trình (2.7) có cấu trúc giống với ma trận hệ
số của hệ phương trình chuẩn khi chọn ẩn số là tọa độ (hoặc độ cao) các điểm
trong mạng lưới. Vì vậy, có thể thực hiện ước tính độ chính xác lưới quan
trắc biến dạng công trình theo quy trình như đối với các mạng lưới trắc địa
thông thường với ẩn số là vector chuyển dịch (hoặc độ lún) công trình.
2.2.2. Các chỉ tiêu độ chính xác trong lưới quan trắc biến dạng công trình
2.2.2.1. Chỉ tiêu độ chính xác độ lún
Sai số độ lún tuyệt đối và sai số độ lún lệch giữa 2 điểm đo:
iiS
Qm
i
.


4
4)(
2
22
xyyyxxyyxx
q
QQQQQ
F
+−
−
+
=
μ
(2.11)
yyxx
xy
QQ
Q
Arctg
−
=
2
2
1
α

3. Sai số chuyển dịch theo huớng (ϕ):
ϕϕμ
ϕ

8
Trong đó: a
i
, p
i
là vector hệ số phương trình số hiệu chỉnh và trọng số của
trị đo thứ i, Q
i-1
, Q
i
là ma trận ngịch đảo của mạng lưới tính đến các trị đo thứ
i-1 và i.
Phương pháp xử lý số liệu với việc tính ma trận nghịch đảo theo công thức
truy hồi có ưu điểm là: trong bài toán khảo sát độ chính xác của các mạng
lưới trắc địa, nhiều trường hợp phải thay đổi số đại lượng đo, khi đó công
thức truy hồi cho phép không cần phải lập lại hệ phương trình chuẩn và tính
ma trận nghịch đảo từ đầu, nên rất thuận tiện cho việc tính toán thiết kế lưới.
2.3.2. Ứng dụng thuật toán truy hồi trong thiết kế tối ưu lưới quan trắc
biến dạng công trình
2.3.2.1. Thiết kế tối ưu độ chính xác lưới
Đặt vấn đề: Cần xác định phương án lưới có độ chính xác cao nhất với chi
phí cho trước. Bài toán thiết kế tối ưu độ chính xác lưới được đặt ra như sau:
1. Hàm mục tiêu
Min)x, ,x,(xfZ
n211
→=



Hình 2.2. Sơ đồ tính toán thiết kế tối ưu chi phí thành lập lưới
Chọn tập trị đo phương án i
Ước tính độ chính xác lưới
i = i+1
Nhập dữ liệu của mạng lưới

H
ình 2.1
.
Sơ đồ tính toán thiết kế tối ưu đ
ộ
chính xác
Đún
g

Sai
Chọn tập trị đo phương án i
Ước tính độ chính xác lưới
Nhập dữ liệu của mạng lưới
Xác đ
ị
nh
p
hươn
g
án tính
i = i+1
Tính toán chi phí
thành lập lưới
Chọn phương án
có chi phí thấp nhất

Xác định tổng số phương án
(
S
)

toán và phần mềm xử lý số liệu “Construction Deformation Analysis- CDA”.
Kết quả đã xác định được một số phương án tối ưu theo hàm mục tiêu đã đặt
ra.
Kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ tính đúng đắn của các phân tích lý
thuyết, trên cơ sở đó cho phép rút ra một số đánh giá về công tác thiết kế
lưới:
1- Lưới quan trắc biến dạng công trình có yêu cầu cao về độ chính xác và
thời gian thi công. Vì vậy, trong thiết kế lưới cần phải xác định áp dụng các
biện pháp tối ưu nhằm xác định phương án lưới phù hợp.
2- Ứng dụng thuật toán bình sai truy hồi (theo hiệu trị đo) cho phép thực
hiện ước tính nhanh chóng với nhiều phương án thành lập lưới và là biện
pháp rất hiệu quả trong thiết kế tối ưu lưới.
2.5. Bình sai lưới quan trắc biến dạng công trình theo hiệu trị đo giữa 2
chu kỳ quan trắc
2.5.1. Cơ sở lý thuyết
Lưới quan trắc biến dạng công trình là dạng lưới đo lặp, sơ đồ lưới thường
được giữ nguyên trong các chu kỳ quan trắc. Vì vậy, có thể áp dụng phương
pháp bình sai hiệu trị đo trong 2 chu kỳ để xử lý số liệu lưới. Nếu chọn vector
tọa độ (hoặc độ cao) gần đúng giống nhau trong cả 2 chu kỳ quan trắc thì
vector số hiệu chỉnh của hiệu trị đo được tính theo công thức:
121212
. TqAv
Δ
−=
(2.14)

11

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
++
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
⎟
⎟

chuyển dịch trong 2 phương án là như nhau, các chỉ tiêu sai số chuyển dịch
trong phương án bình sai hiệu trị đo có giá trị nhỏ hơn so với phương án bình
sai tách biệt, điều này xảy ra là do ảnh hưởng của sai số hệ thống hoặc sai số
số liệu gốc còn tồn tại trong các chu kỳ đo.
2.6. Phân tích độ ổn định các điểm lưới cơ sở theo phương pháp bình sai
tự do với hiệu trị đo
2.6.1. Lựa chọn điều kiện định vị lưới cơ sở
Khi bình sai bậc lưới cơ sở theo hiệu trị đo cũng xác định được hệ phương
trình chuẩn như mô tả ở công thức (2.7). Lưới cơ sở là lưới trắc địa tự do nên
cần phải đưa vào định vị mạng lưới, dạng:

12
0.
12
=qC
T
(2.18)
Đối với lưới cơ sở mặt bằng, ma trận C được xác lập dưới điều kiện:
“Tổng bình phương độ lệch tọa độ của các điểm ổn định trong lưới là nhỏ
nhất”. Từ đó suy ra (B là ma trận Helmert):
-Chọn - Nếu i là điểm ổn định
ii
BC =
(
2.19
)
-Chọn: - Nếu i là điểm không ổn định

C
0
T
.q = 0
Lập hệ PTC
R.q + b = 0

q
i
≤ t.m
q

C
i
= 0
Giải hệ PTC,
tính chuyển dịch
Kết thúc
Điểm i
không ổn định
Đúng
2.6.3. Ví dụ phân tích độ ổn định mốc cơ sở theo hiệu trị đo
Trong luận án đã thực hiện phân tích độ ổn định lưới cơ sở tại công trình
quan trắc chuyển dịch ngang tuyến đập thuỷ điện Yaly. Kết quả tính toán
thực nghiệm đã minh chứng cho tính đúng đắn của nội dung khảo sát
lý thuyết.
2.6.4. Nhận xét về phương pháp bình sai hiệu trị đo
1- Kết quả bình sai hiệu trị đo không chịu ảnh hưởng của sai số hệ thống
,
u
2
, u
m
).
3- Tác động nhiễu (z
1
, z
2
, z
m
).
Tham số đầu ra là các giá trị định lượng (Y), đặc trưng cho mức độ chuyển
dịch và biến dạng công trình. Các nhiệm vụ được đặt ra trong khi phân tích,
đánh giá chuyển dịch, biến dạng công trình bao gồm:
- Xác định xu hướng chuyển dịch của công trình trong không gian, theo
thời gian.
- Xác định và đánh giá mức độ phụ thuộc độ chuyển dịch công trình vào
một số yếu tố ngoại cảnh.
Mô hình chuyển dịch công trình được thể hiện thông qua hàm số:
])()()([
321
wzFuFxFq
+
++=
ϕ
(3.1)
Trong đó: F
1

n
qqqq ), ,,(
21
=
. Khi số chu kỳ quan trắc lớn hơn số luợng tham số, bài
toán được giải như sau:
-Lập hệ phương trình số hiệu chỉnh:
LdZAV += .
(3.4)
0
qqL −=
Trong đó: vector số hạng tự do .
-Theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất ([v
2
] = Min) xác định được
vector ẩn số và từ đó tính vector tham số của mô hình:
dZZZ
L.AA)(
0
T-1
+=
−=
T
AdZ
(3.5)
-Sai số mô hình:
kn
v
m
MH

(3.8)
Trong đó: q
t
là Giá trị dịch công trình ở thời điểm t; (a
0
, a
1
, a
2
, a
n
) là vector
hệ số của đa thức.
3- Hàm tuần hoàn
tawtawtaaq
t
3
210
)cos(.)sin(. +++=

(3.9)
Thực tế quan trắc chuyển dịch tại các công trình thuỷ lợi - thủy điện ở Việt
Nam cho thấy, giá trị chuyển dịch ngang của các tuyến đập trong giai đoạn
vận hành phụ thuộc vào mực nước trong hồ chứa, yếu tố này biến đổi theo
mùa và có tính tuần hoàn. Vì vậy, việc sử dụng hàm tuần hoàn để xây dựng
mô hình chuyển dịch đối với các công trình loại trên là phù hợp.
3.3. Thời gian trễ chuyển dịch
Thông thường, phản ứng của công trình thường xảy ra muộn hơn so với
thời điểm tác động của tác nhân gây ra chuyển dịch. Sự không đồng bộ về
thời gian như nêu ở trên được gọi là thời gian trễ chuyển dịch. Việc xác định

)().(
),(
),(
qMXM
qXM
r
qX
=
(3.10)
Trong đó: M(X), M(q) là sai số trung phương của các đại lượng X, q; M(X,q)
là mô ment tương quan bậc 2, được xác định theo công thức:
)()(
1
1
),(
1
qqXX
n
qXM
i
n
i
i
−−
−
=
∑
=
(3.11)
Bước đầu, tính hệ số tương quan giữa X và q theo số liệu quan trắc. Tiếp theo,

ϕ
Δ
t = t
1
– t
2
(3.12)
Quy trình tính toán xác định thời gian trễ chuyển dịch theo phương pháp phân
tích cực trị hàm được thể hiện thông qua ví dụ:
Giả sử theo kết quả quan trắc trong n chu kỳ, chuyển dịch (q) và độ cao mực

17

T (Thời gian)
Biểu đồ mực nước
O
H
Biểu đồ chuyển dịch
Δt
Δ
t
o
o
o
o
π
α
ϕ
ω
π
α
ϕ
kk
ttt
+
−
−
+−
=−=Δ
(3.15)
3.3. Ứng dụng phương pháp phân tích tương quan để đánh giá chuyển
dịch công trình
3.4.1. Phân tích tương quan tuyến tính đơn
3.3.1.1. Cơ sở lý thuyết
Giả sử có (X
i
, Y
i
{ }
ni ,1=
là một mẫu ngẫu nhiên hai chiều thu được khi
quan sát véctơ ngẫu nhiên (X, Y) thì hệ số tương quan mẫu r
XY
của X và Y
được xác định như sau:

∑
=
2
2
;
n
Y
Y
i
i
∑
=
2
2
n
Y
Y
i
i
∑
=
;
n
X
X
i
i
∑
=
;

3
1
−
≈
n
Z
σ
(3.20)
Trong trường hợp này mối quan hệ tương quan giữa X và Y cũng được
thiết lập với điều kiện:
Z
Z
σ
3≥
(3.21)
3.3.1.2. Xây dựng hàm hồi quy
Khi quan hệ tương quan giữa đại lượng X và chuyển dịch Y đã được xác
lập, sử dụng hàm hồi quy tuyến tính đơn để mô tả mối quan hệ đó. Hàm hồi
quy có dạng:
bXaY += .
(3.22)
Các tham số a, b của hàm hồi quy được xác định trên cơ sở n cặp trị đo
(Y, X) là: theo nguyên lý số
bình phương nhỏ nhất:
n
{}{
),(), ,,(),,(),(
2211 nnii
XYXYXYXY =
}

3.3.2. Phân tích tương quan tuyến tính bội
3.3.2.1. Cơ sở lý thuyết
Giả thiết có p đại lượng quan trắc ngẫu nhiên x
1
, x
2
, , x
p
được đo độc lập
nhau trong n chu kỳ. Các đặc tính cơ bản của đại lượng ngẫu nhiên x
i
là kỳ
vọng toán học M
[xi]
, phương sai và moment tương quan K
i
x
D
ij
, trong đó j là số
hiệu cột, còn i là số hiệu dòng của ma trận tương quan:
{}
pi
pj
ij
KK
,1
,1
=
=

kkix
xMx
n
D
k
(3.27)
[] []
))((
1
1
iii
n
i
kkiki
xMxxMx
n
K −−
−
=
∑
=
1
(3.28)
Đánh giá thống kê các hệ số tương quan thực hiện theo tiêu chuẩn Fisher
(ví dụ phân tích 4 đại lượng ngẫu nhiên):
q
i
F
mR
mnR

+
+
+
== ), ,,(
3322032
(3.31)
Ký hiệu:

20
; ;
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=

⎡
=
n
Y
Y
Y
L2
1
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
p
a

1- Phương trình thể hiện mô hình chuyển dịch theo thời gian:
ttCostSinq
t
×
−
×
+
×
−−= 31.0).52.0(59.3).52.0(89.081.0

(Sai số mô hình: m= 3.0 mm, biên độ chuyển dịch: T
1
= 7.4 mm, chu kỳ
chuyển dịch: P
1
= 12.20 Tháng).
2- Phương trình thể hiện mô hình biến động độ cao mực nước hồ:
ttCostSinH
t
×
+
×
+
×
−= 06.0).52.0(94.8).52.0(92.907.104

(biên độ dao động mực nước: T
2
= 26.7 m, chu kỳ dao động mực nước:
P

với tác động của áp lực nước trung bình là 1.35 tháng (khoảng 40 ngày).
3.5.2. Thực nghiệm phân tích tương quan tuyến tính đơn giữa mực nước
thượng lưu hồ và chuyển dịch ngang của tuyến đập
Trên cở sở số liệu quan trắc chuyển dịch ngang của điểm quan trắc VM2
trên tuyến đỉnh đập nhà máy thuỷ điện Hòa Bình thu được trong 52 chu kỳ,
trong luận án thực hiện phân tích tương quan đánh giá mức độ phụ thuộc của
chuyển dịch so với độ cao mực nước trong hồ chứa theo 2 phương án:
- Trong phương án 1 thực hiện phân tích trực tiếp theo cặp giá trị độ cao
mực nước và chuyển dịch ở cùng thời điểm đo.
- Trong phương án 2, giá trị độ cao mực nước hồ tại các chu kỳ quan trắc
đuợc lấy ở thời điểm chậm hơn so với thời gian đo một khoảng bằng với thời
gian trễ của chuyển dịch (1.35 tháng). Tổng hợp kết quả phân tích được nêu ở
bảng 3.1.

22
Bảng 3.1. Tổng hợp kết quả phân tích
Phương án 1 Phương án 2
Hệ số tương quan 0.33 0.47
Phương sai 0.11 0.11
a = 0.1793 a = 0.2929
Hệ số của phương trình hồi quy
b = -30.86 b = -43.06
Phương trình hồi quy
86.30)(1793.0 −×= mHq
mm
06.43)(2929.0
−